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DIMENSIONAMIENTO DEL SOPORTE DE SUSPENSION
Dimensionamiento del cabezal
- Altura libre (h 1 )
Se parte de una cierta altura libre del conductor respecto al nivel del terreno. Orientativamente se indican en la tabla VI dichas alturas.
TABLA VI
- Flecha (fmax)
Se emplea el valor de la flecha máxima del conductor determinada en el cálculo mecánico del mismo.
- Longitud de la cadena de aisladores (lc)
Se debe determinar la cantidad de aisladores, la cual es función de la tensión y de la contaminación. En forma preliminar puede observarse la Tabla VII. La determinación más correcta de la cantidad de aisladores requeridos para una línea contempla:
- la longitud de línea de fuga requerida por condiciones de contaminación ambiental en su superficie.
- la cantidad de aisladores correspondientes a la línea para determinada coordinación de la aislación.
ZONA ALTURA LIBRE (m) Rural ≤ 33 kV Rural > 33 kV Suburbana y cruce de ruta Urbana Cruce FF CC Trocha angosta Cruce FFCC Trocha ancha
TABLA VII
TENSION NOMINAL
(kV)
NUMEROS DE AISLADORES
Para el primer caso se define, por ejemplo:
ZONA
LONGITUD LINEA DE FUGA
(cm / kV) Forestal Industrial y cerca del mar Muy cerca del mar Fabricas de productos químicos. Centrales térmicas.
Ejemplos.
- Aislador normal FAPA ALS 254,l 1 = longitud de línea de fuga: 28 cm, tensión máxima de servicio: 145 kV, zona: forestal y agrícola.
1
= max^ ⋅Lcm kV = ⋅ = l cm
U kV n
Se colocarán 8 o 9 aisladores.
- Aislador “antiniebla” FAPA ALSF 254, longitud de línea de fuga: 37,5 cm, tensión máxima de servicio 36,6 kV, zona de fábrica de productos químicos.
1
= max^ ⋅Lcm kV = ⋅ = l cm
U kV n
Se colocarán 3 aisladores.
Fijada la cantidad de aisladores se multiplica por su altura, dato del fabricante y se le adiciona la correspondiente a la morsetería, la cual también es dato del proveedor.
TABLA II - Ángulo de meneo y factor K (extractado de la VDE 0210/5.69)
Ángulo de meneo de los conductores con viento
Grado sexageci- mal
Superior a 65º
Superior 55º hasta 65º
Superior 40º hasta 55º
40º e Infer.
Conductores superpuestos arbitrariamente
Factor K
Conductores dispuestos a nivel idéntico
Factor K
Conductores dispuestos en triángulo equilátero, dos de ellos al mismo nivel
Factor K
Los números entre paréntesis se emplean para tensiones menores de 30 kV.
b. Distancia mínima a tierra (d 1 )
Se debe verificar que la distancia del conductor que se encuentra más próxima a la ménsula en reposo a tierra sea igual o mayor que:
1 0 ,^1 n
U
d = +
siendo Un : tensión nominal en kV
La separación entre ménsulas será:
A = d (si d ≥ lc +d 1 + e) A = lc + d 1 + e (si lc + d 1 + e > d) siendo en ambos casos e: espesor de la ménsula (0,10 m)
- Ubicación del cable de guardia
Existen distintos criterios para ubicar el cable de guardia, pero antes se debe determinar la longitud de la ménsula para tener ubicados los conductores activos respecto al centro del poste.
a. Longitud de la ménsula (lm)
Todas las ménsulas son iguales, con el fin de emplear un mismo modelo, por ello se debe dimensionar la ménsula más próxima al nivel de suelo, dado que es la situación más desfavorable.
Se debe verificar que la distancia del conductor, con máxima inclinación debida al viento, y el poste sea igual o mayor que:
2
Un d =
siendo Un : tensión nominal en kV. NOTA: dicha distancia también debe verificarse respecto a la ménsula.
Por lo tanto:
pm lm lc sen d
donde: lc: longitud de la cadena de aisladores, d 2 : distancia mínima respecto a masa, Φpm: diámetro del poste a la altura del conductor, φ: ángulo de inclinación del conductor con cadena de aisladores.
Cálculo del ángulo de inclinación del conductor con cadena (φ)
Se tiene un conductor con su peso, el de los aisladores, la fuerza del viento aplicada en el centro de gravedad de los aisladores y sobre el conductor. Tomando momentos respecto al punto B se tiene:
ϕ ϕ ϕ ϕ / 2 / 2 cos
.cos. / 2 cos... / 2
c a vc va
vc c va c c c a c P P sen F F
F l F l Pl sen P l sen
c a
vc va P P
F F
tg
b. Criterios de ubicación del cable de guardia
En forma estricta no se puede asegurar que un conductor no puede ser "golpeado" en forma directa por un rayo, a menos que esté totalmente blindado. Casi todas las hipótesis de cálculo aseguran que la mayoría de los rayos caen sobre el cable de guardia, cuya función es:
- Interceptar los rayos que caen sobre la línea para ofrecer blindaje a los conductores.
- Distribuir la corriente del rayo en 2 o más caminos que la derivarán a tierra, para ello el cable de guardia se conecta a tierra en cada soporte. El principio fundamental en que se basan los estudios sobre descargas de rayos es: "la descarga atmosférica, cuando su último escalón se encuentra a una altura H sobre el terreno, elige para caer el punto conectado a tierra más cercano. El extremo del arco piloto está a una cierta altura H, si a una altura h se tiene un cable de guardia de una línea o un pararrayos de punta, entonces a esa altura se encuentra el punto conectado a tierra más cercano, la descarga se dirige a él o a tierra. El problema es encontrar la relación H/h y es donde residen los distintos criterios de ubicación del cable de guardia (ver fig. 29). Si el canal tienen su último escalón ubicado en "0" está en posición indiferente, si está en "0"cae sobre el cable de guardia y si su extremo está en "0" cae al suelo.
Charles expresó: si α = 45°, se tiene la seguridad de que el rayo no caerá en los cuerpos que se encuentran dentro de un cono con dicho ángulo (fig. 30). Este criterio es poco severo y permite bajar la altura del poste.
Wagner y Mac Cann: dieron a este ángulo el valor de 30°, de ese modo sube más el cable de guardia. Obsérvese que por lo tanto el poste es de mayor altura que en el caso anterior, fig. 30.
Schwaiger: el criterio es de tomar la relación H/h = 1, siendo H el punto donde se encuentra la punta del rayo, y h la altura del poste (fig. 31). Este criterio es muy severo, ya que hay que colocar muy arriba el cable de guardia, razón por la cual resulta antieconómico.
Langrehr: este criterio es más "tolerante" que el de Schwaiger, ya que hace H= 2h (fig. 32). Si el rayo estuviera en 0 caería sobre el cable de guardia y si estuviera en 0' caería a tierra.
Modelos electrogeométricos: es un método que extrapola resultados de ensayos de laboratorios con métodos teóricos y da una expresión matemática para ubicar el cable de guardia. En el cálculo con modelos electrogeométricos se comienza determinando la "distancia de salto d", con la expresión:
d = 6 , 7 .I^0 ,^8
o bien d = 0 , 67 .H^0 ,^6 ..I^0 ,^74
donde Z c
NBA
I
En la cual NBA es el nivel básico de aislación y Zc es la impedancia característica de los conductores. Debe dividirse por dos, pues al caer el rayo sobre los conductores genera dos ondas migratorias, una en cada sentido. En ausencia del cable guardia, el rayo caerá sobre el conductor de potencia o al suelo, según cual se encuentre más cerca en el momento previo al último escalón de su caída. Como el suelo se supone plano, el lugar geométrico es una parábola, ver fig. 33. Luego, con centro en el conductor y radio "d" se traza un arco que corta a la parábola en el punto1. Con centro en el punto 1 y radio "d" se traza un nuevo arco de circunferencia, que define el lugar geométrico de ubicación optima del cable de guardia.
Figura 33
ESTADO DE CARGA
- Según A y EE los estados de carga son los que se indican en el mapa 1
- Hace poco tiempo se introdujo, en algunos casos, una hipótesis adicional: Temperatura = + 15 ºC. y Viento = 180 km/h. Esta hipótesis no se considera a efectos del cálculo mecánico de conductores, cables de guardia ni distancias eléctricas. Solo es aplicable al cálculo de estructuras y funciones, siendo las tensiones admisibles para esta hipótesis, en las estructuras, las correspondientes a carga extraordinaria.
- Para la provincia de Buenos Aires se emplea la siguiente tabla:
ESTADO
TEMPERATURA
(ºC)
VIENTO
(km/h)
HIELO
(mm) Ι - 10^0 ΙΙ + 10^130 ΙΙΙ - 5^50 ΙV +50 0 0 V +15 0 0
Las tensiones máximas admisibles para los estados de carga I al IV son las fijadas anteriormente y la del estado V corresponde al valor de la tensión admisible a la
temperatura media anual ( Padm tma).
CRITERIOS DE SEGURIDAD
- Criterios deterministicos
En estos criterios se determinan los esfuerzos que los diferentes estados de carga someten a los cables y estructuras. Para postes de hormigón, se refieren los esfuerzos a la cima y se aplican “coeficientes de seguridad”, que varían entre 2 las hipótesis de emergencia y 2, para las normales.
- Criterios probabilísticos
Se asume que los vientos varían de forma probabilística. Se consideran cargas permanentes (pesos, tensiones en ángulo) en forma determinística. Se agregan en forma determinística cargas especiales, como las de construcción y de mantenimiento. También se considera que la resistencia máxima de las estructuras es una variable aleatoria, trazándose normalmente con probabilidades acumuladas. Se calcula el riesgo de falla conjugando las cargas y las resistencias. A su vez se consideran secuencias de fallas para los componentes.
d. Carga de viento en dirección de la línea
C a^1 a^2 g S sen^ α
vc vc
III. Hipótesis de cálculo
El presente punto está basado en el articulo “Consideraciones sobre las hipótesis de cálculo mecánico de soportes para líneas de M.T. y A. T. en terreno llano”, que desarrollado por los ingenieros Luis C. Simon y Hector L. Soibelzon, apareció el ejemplar de julio - agosto de 1976 de la “Revista Electrotecnia”. Aclaración: cuando se indica “Estado II o Estado III” corresponde aplicar los “Estados básicos” normalizados por DEBA.
ESTRUCTURAS DE SUSPENSION
I. Cargas normales
A. Hipótesis a-1: Carga del viento máximo (Estado II) perpendicular a dirección de la línea sobre la estructura, los elementos de cabecera (travesaños, aisladores, accesorios, etc.) y sobre la semilongitud los cables de ambos vanos adyacentes. Simultáneamente cargas verticales (peso estructura, cables, aisladores, accesorios, etc.), sin carga adicional por hielo. Ver figura 1.
B. Hipótesis a-2: ídem a la Hipótesis a-1, pero aplicando las condiciones climáticas del estado III, cargas verticales. Ídem Hipótesis anterior, mas carga adicional por hielo (si existe este). Ver figura 1.
Comentarios sobre a-1 y a-2: Debe además considerarse (en los casos que exista) el desequilibrio provocado por cargas desiguales a ambos lados de la estructura. Para el caso del soporte monoposte, en disposición triangular (ver fig. 2) vale:
h
P P l P l P l P l D (^) v c a^1 cg^2 mc.cg^1 mcg cg^2
que equivale a hallar la fuerza Dv, en la cima del soporte, que accionando horizontalmente, provoque en la base del mismo un momento flector igual que la carga desequilibrada. Dicha expresión no es absolutamente exacta, desde el punto de vista de la Resistencia de Materiales e inaplicable para estructuras metálicas reticuladas. También debería incluirse, en dirección normal a la línea, la fuerza del viento, ménsulas, grapas, etc. En muchos casos la fuerza del viento sobre éstos se considera despreciable frente a las anteriormente consideradas. Para estructuras de hormigón monopostes en disposición coplanar vertical (bandera) vale lo mismo que para los triangulares, salvo que, para calcular el desequilibrio vertical debe multiplicarse por tres (3) el peso de los conductores, aisladores y ménsulas.
Donde:
Fvp: es la fuerza del viento sobre los postes, Fva: es la fuerza del viento sobre los aisladores, Fvc: es la fuerza del viento sobre los conductores, Pa: es el peso de los aisladores, Pc: es el peso de los conductores, Pmc: es el peso de la ménsula de los conductores, Pmcg: es el peso de la ménsula del cable de guardia, l 1 : es la longitud de la ménsula de los conductores, l 2 : es la longitud de la ménsula del cable de guardia, lcg1: es la distancia del eje del poste al centro de gravedad de la ménsula del conductor, lcg2: es la distancia del eje del poste al centro de gravedad de la ménsula del cable de guardia, h: es la altura del poste sobre el suelo, hn: es la altura de las ménsulas del conductor respecto al suelo, h 4 : es la altura del cable de guardia respecto al suelo.
Esta Hipótesis debe aplicarse para verificar el comportamiento de las grandes superficies que se pueden presentar en dirección diagonal en las estructuras altas. Según VDE, estas fuerzas se tomarán en cuenta solamente en estructuras con alturas de más de 60 m sobre el nivel del suelo. Algunos autores (1,2) sostienen que esta Hipótesis debe aplicarse a todas las torres, aún cuando la altura de las mismas sea inferior a 60 m. La norma VDE aclara que, para todas las superficies no previstas en lo antedicho y que se hayan dispuesto en forma oblicua, para la determinación de la carga del viento en dirección de este último se tomará en cuenta la superficie que se ve en esa dirección. Existen discrepancias entre distintos autores (1,2,3) respecto al ángulo con que debe ser aplicado el viento, es evidente que el ángulo de ataque del viento que produce el efecto más desfavorable, depende de la forma del soporte, debiendo el proyectista evaluarlo en función del tipo de soporte diseñado.
E. Hipótesis g: Fuerzas que se aplican en el eje de la estructura al nivel y dirección de los cables, de valor igual a una cuarta parte de la carga de viento máximo (Estado II), perpendicular a la dirección de la línea, sobre la semilongitud de los cables de ambos vanos adyacentes. Simultáneamente cargas verticales con carga adicional por hielo, ver figura 5; éste caso de carga se considera solamente en estructuras cuya altura es superior a 10 m. Comentario: Si bien las hipótesis anteriores eran “evidentes”, ésta ya no lo es. Podrían consignarse las siguientes causas de carga longitudinales, a saber:
- Debidas al montaje, mantenimiento o fallas mecánicas 1.1) Trabado de una roldana durante el montaje o enganche en la misma del cable de tracción. 1.2) Caída de una estructura vecina. 1.3) Caída de conductores de estructuras vecinas. 1.4) Bajada e izado de conductores durante una reparación. 1.5) Como consecuencia de un mal reglado de los conductores, particularmente en vanos desiguales.
- Debido a agentes atmosféricos. 2.1) Viento a 45º sobre la línea. 2.2) Viento paralelo a la línea (efecto similar al analizado en la Hipótesis b). 2.3) Carga del hielo o nieve desbalanceada en vanos contiguos. 2.5) Galope de conductores.
Particularmente la hipótesis 2.1 puede provocar cargas longitudinales desbalanceadas del orden de 25 % al 30 % (4) de la carga transversal por viento normal a la línea. Por consiguiente, esta hipótesis es importante en estructuras con menor momento de inercia en el sentido perpendicular a la misma, como es el caso de torres de sección rectangular, pórticos, etc.
Según la ubicación geográfica de la línea, la carga longitudinal puede deberse a diferencia en las cargas de hielo en ambos vanos adyacentes al soporte. Cabe recordar las hipótesis empleadas por Eléctricité de France en esos casos (5).
ZONA HIELO ESPESOR MANGUITO
VANO 1 VANO 2
1 débil 2 cm 0 cm 2 medio 4 cm 2 cm 3 fuerte 6 cm 4 cm
Donde con vano 1 y vano 2 se indican los vanos adyacentes al soporte. Quizás fuese más real, aplicar las cargas de los cables en sus puntos de sujeción que en el eje de la estructura. También cabría la posibilidad de recomponer una nueva hipótesis como resultado de g y d (ver figura 6). Para las cargas longitudinales, algunos autores preconizan “acortarlas” mediante el uso de morsas calibradas que deslicen cuando la carga sobrepase del valor de ajuste, aunque quizás en obra sea bastante difícil de lograr una buena calibración y confiar que la misma se mantenga durante la vida “en explotación” de la línea para todas las morsas. Conviene agregar que el Artículo 18° del Reglamento Español (6) prevé un desequilibrio en las tracciones máximas unilaterales de los conductores y cables de guardia del ocho por ciento (8%).
